UHMWPE基水潤滑軸承摩擦及潤滑特性的試驗研究

王艷真，李虎林，鐘濤，尹忠慰

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海交通大學 設計學院，上海 200240)

近年來，水作為潤滑介質的滑動軸承在船舶、泵類、水輪機等設備上廣泛應用。水潤滑軸承的應用避免了潤滑油泄漏導致的環境污染問題，而且無需供油與密封系統，很大程度上簡化了軸系支承系統的復雜性，同時提高了系統的穩定性和可靠性[1]。

國外對水潤滑軸承材料的研究起步較早，形成的成熟產品主要有賽龍軸承(Thordon)系列、飛龍軸承(Feroform)系列、Countrose軸承系列以及Durablue水潤滑軸承系列等。其中，賽龍材料是合成樹脂與合成橡膠經三次元交叉結晶而成的聚合物，該類材料具有良好的承載性、減振性、耐腐蝕性、耐磨性及減摩性，目前已經形成了成熟的產品系列，如Thordon XL，Thordon SXL，Thordon COMPAC，Thordon HPSXL，Thorplas等。我國對水潤滑軸承的研究起步較晚，文獻[2-4]開展了橡膠合金軸承材料的改性、摩擦磨損機理以及相關彈流潤滑理論的研究，文獻[5-6]開展了橡膠艉軸承潤滑性能、摩擦振動機理、壽命可靠性的研究，文獻[1,7-8]開展了水潤滑軸承材料研制、水潤滑徑向和推力軸承的結構設計等研究，但國內產品的性能、壽命均與國外同類產品差距較大。

關于水潤滑軸承材料的摩擦磨損性能，國內外學者也開展了大量的研究。文獻[9]研究了短切碳纖維對熱固性塑料與熱塑性塑料磨損率與摩擦因數的影響，結果表明隨機方向的纖維能夠減小基體的磨損率與摩擦因數，并且與基體材料種類無關。文獻[10]研究了不同碳纖維含量對UHMWPE性能的影響，結果表明碳纖維的填充能夠顯著增大基體硬度，并且能夠減小材料在水潤滑工況下的摩擦因數。文獻[11]研究了PTFE對UHMWPE摩擦磨損性能的影響，結果表明當PTFE填充量為10 %(質量分數，下同)時，復合材料具有最低的摩擦因數與磨損率，但力學性能略有下降。文獻[12]研究了硅灰石纖維對UHMWPE基體摩擦磨損性能的影響，結果表明當硅灰石纖維含量為10%時，復合材料具有最低的磨損率，但復合材料的摩擦因數隨硅灰石纖維含量的增大而增大。文獻[13]研究了水潤滑工況下碳纖維與玻璃纖維對PEEK和聚苯硫醚(PPS)摩擦磨損性能的影響，結果表明PEEK及玻璃纖維增強PEEK在水潤滑條件下均表現出較差的減磨性與耐磨性，而添加碳纖維則有利于提高PEEK在水潤滑工況下的摩擦磨損性能。

水潤滑軸承低黏度的潤滑介質使得軸承摩擦阻力大幅減小，但會造成軸承動壓承載能力差。而且，軸承上開設的水槽也大幅削弱了軸承的承載能力，使得動壓潤滑難以形成，容易造成軸承材料的嚴重磨損。因此，研制減摩耐磨性能優異的高性能軸承材料對于改善和提高艦船的服役性能具有重要意義。純UHMWPE具有極低的吸水率和良好的耐磨性，是一種應用前景廣闊的水潤滑軸承材料。然而，純UHMWPE材料熱變形溫度低，干摩擦或邊界潤滑情況下減摩效果差，難以兼顧水潤滑軸承對材料減摩性、耐磨性以及承載能力等諸多綜合性能的要求。因此，本文通過添加填料改善UHMWPE材料的耐溫性以及摩擦磨損性能，并對比研究改性UHMWPE軸承與現有賽龍(Thordon SXL)軸承產品的摩擦潤滑性能，對UHMWPE水潤滑軸承材料的適用性進行考核，為后續高分子水潤滑聚合物軸承的制備及應用奠定基礎。

1 試樣制備及試驗方法

通過平面摩擦磨損試驗研究改性UHMWPE材料在摩擦過程中的耐熱性能，將改性UHMWPE與Thordon SXL的摩擦因數及磨損量進行對比；采用徑向軸承試驗機對比研究改性UHMWPE及Thordon SXL的潤滑性能并獲取相關數據，為UHMWPE基復合材料在艉軸承方面的工程應用提供依據。

1.1 試樣制備

當玻璃纖維(GF)含量(質量分數，下同)為10%或碳纖維(CF)含量為12.5%時，對UHMWPE的摩擦磨損性能改性效果最佳[14]；混合填料的最佳填充比為玻璃纖維12.5%，碳纖維12.5%；因此，所選取UHMWPE復合材料的配比見表1。

表1 UHMWPE復合材料的填充比Tab.1 Filling ratio of UHMWPE composite

UHMWPE復合材料的制備采用熱壓燒結法。首先，采用機械攪拌方式混合UHMWPE與纖維填料，將復合材料裝入模具并以40 MPa的壓力冷壓，保壓15 min；其次，將模具連同試樣一起放入氮氣保護燒結爐進行燒結，燒結溫度為220 ℃，燒結時間為90 min；然后，將模具連同試樣從燒結爐取出并放入壓機壓制，壓力為10 MPa，保壓時間為直至模具和試樣冷卻至室溫；最后，將試樣脫模并機加工至摩擦磨損試樣或軸承試樣。

1.2 平面摩擦磨損試驗

如圖1所示，在RTEC銷盤式摩擦磨損試驗機(MFT-5000)上進行UHMWPE復合材料摩擦磨損特性試驗，試驗載荷通過電動機帶動滾珠絲杠施加，銷與盤相對運動時,兩對摩面之間產生的摩擦力由固定在力臂側面的力傳感器測定。摩擦磨損試驗測試環境溫度為20 ℃，空氣濕度為50%±5%。復合材料摩擦因數μ=Fμ/FN，Fμ為水平方向的摩擦力，FN為豎直方向載荷。

圖1 摩擦磨損試驗機測試示意圖Fig.1 Diagram of friction and wear tester

試驗中，研究改性UHMWPE高分子復合材料摩擦耐溫性時，采用復合材料試驗銷與GCr15試驗盤進行對磨，試驗銷尺寸為Φ6 mm×20 mm，試驗盤線速度為1.0 m/s(旋轉半徑16 mm、轉速597 r/min)，試驗載荷為2.5 MPa(70.65 N)，試驗時間120 min。

生活方式是人們在長期生活過程中所形成的穩定的生活模式和態度?！碍h境的改變和人的活動或自我改變的一致，只能被看作是并合理地理解為革命的實踐?！盵5]人們的生活方式雖然以生態環境為基礎，但并非消極被動地接受自然的塑造和影響，而是對生態環境具有能動的反作用，具體表現在生活方式對生態環境的影響中。

對比研究改性UHMWPE與Thordon SXL的摩擦磨損性能時，采用直徑Φ4 mm的GCr15銷與復合材料圓盤進行對磨。由于UHMWPE材料和Thordon SXL材料均具有良好的耐磨性，通過加速試驗增大試驗載荷以提高試驗效率，選取對比試驗載荷為10 MPa，試驗盤線速度為0.15 m/s，測試時間為120 min。材料磨損量采用稱重法測量，使用的分析天平精度為0.1 mg。為避免試驗過程中的水介質和雜質對試樣質量的影響，試驗前所有試樣均用酒精溶液清洗，然后用烘箱40 ℃烘干30 min，待試樣溫度降到室溫后再進行稱重，最終取3次測量的平均值作為試樣的初始質量。同樣，試驗后將試樣依次用酒精溶液清洗、烘干、降溫、稱重，并將此時稱取的質量作為試樣磨損后的質量。分別測試干摩擦和水潤滑工況下材料的摩擦磨損性能，為避免偶然誤差影響，每組試驗采用3組試樣重復測量。

1.3 水潤滑軸承試驗

復合材料水潤滑軸承測試采用圖2所示的徑向水潤滑軸承試驗臺。試驗臺主軸采用伺服電動機直接驅動，電動機額定功率22 kW，最高轉速6 000 r/min；試驗軸承浸泡在水箱中，水介質通過導水槽進入軸承間隙實現潤滑；通過安裝在加載環上的拉桿對試驗軸承施加拉力實現加載；試驗軸轉動時，軸與試驗軸承之間產生的摩擦力轉化為摩擦力測量桿與拉力傳感器之間的拉力，從而實現摩擦力的測量。各傳感器的性能參數如下：加載力傳感器的量程為20 kN，非線性誤差≤0.02%F.S.；摩擦力傳感器的量程為49 N，非線性誤差≤0.02%F.S.。試驗前所有傳感器均進行標定，以保證測量精度。試驗前調整試驗軸與主軸對中，測量試驗軸圓跳動，保證試驗軸旋轉精度。

1—基座；2—伺服電動機；3—阻尼器；4—聯軸器；5—主軸；6—支承軸承；7—試驗軸；8—試驗軸瓦；9—軸套；10—滾動軸承；11—加載模塊；12—扭矩測量桿圖2 徑向水潤滑軸承試驗臺Fig.2 Water-lubricated journal bearing test rig

在試驗測試過程中，可通過調節豎直方向上的加力桿對試驗軸承施加載荷F0，當伺服電動機帶動試驗軸轉動時，試驗軸與水潤滑軸承之間產生摩擦力Fμ并由水平方向上的拉力傳感器獲取。試驗軸承內徑為R，摩擦力傳感器與轉軸旋轉中心之間的距離為L，則摩擦因數為

GF-CF-UHMWPE復合材料軸承和Thordon SXL軸承如圖3所示，軸承寬度為80 mm，寬徑比為1，軸承間隙[1]12為0.125%～0.150%。在水潤滑狀態下，分別測試軸承在不同線速度、不同載荷下的摩擦潤滑特性，測試比壓分別為0.1，0.2，0.3，0.4 MPa，試驗轉速為30～2 400 r/min。每組試驗進行3次，取3次試驗的平均值作為最終結果。

圖3 試驗軸承示意圖Fig.3 Diagram of test bearings

2 結果與討論

2.1 填料對UHMWPE摩擦性能的影響

采用RTEC平面摩擦磨損試驗研究填料對UHMWPE摩擦性能的影響，試驗盤線速度為1.0 m/s，試驗載荷為2.5 MPa，不同材料摩擦因數隨時間的變化以及試驗后試驗銷的變形情況如圖4所示。由圖可知：

圖4 摩擦熱對UHMWPE性能的影響Fig.4 Effect of friction heat on properties of UHMWPE

1)隨著摩擦熱的積累，純UHMWPE和GF-UHMWPE材料的摩擦因數均出現了明顯下降；試驗銷有明顯的塑性變形，表明這2種材料在高速工況下均出現了明顯的軟化現象；當摩擦界面的溫度達到一定值后，某處薄層材料開始熔化，熔化的高分子材料起到潤滑劑的作用，使得摩擦因數開始減小[15]?；w材料軟化和表層材料熔化是導致轉速增加到一定程度后摩擦因數下降的主要原因。

2)摩擦熱對CF-UHMWPE材料的摩擦因數幾乎沒有影響，試驗后材料也沒有產生明顯的塑性變形，表明CF-UHMWPE材料具有更好的耐溫性能。

3)摩擦熱對GF-CF-UHMWPE材料的摩擦性能幾乎沒有影響，試驗后材料也沒有發現明顯的軟化及變形現象，表明GF-CF-UHMWPE材料同樣具有良好的耐溫性能。

從上述研究可以看出：單一玻璃纖維填料可以改善UHMWPE材料的減摩性，但對材料的耐溫性能幾乎沒有改善；單一碳纖維填料可以改善UHMWPE材料的耐溫特性，但對材料減摩耐磨性能的改善沒有玻纖填料顯著；碳纖維和玻璃纖維組合填料在改善材料摩擦磨損特性的同時顯著改善了材料的耐溫性能，從而使材料具有更佳的綜合性能。

對磨損后的復合材料表面進行掃描電鏡分析，結果如圖5所示，由圖可知：純UHMWPE材料的磨損表面出現了明顯垂直于滑動方向的貫通裂紋，主要為材料剝落與疲勞磨損；GF-UHMWPE材料的磨損表面主要表現為表層材料的擦傷和剝落，失效形式主要為高速下復合材料的黏著磨損； CF-UHMWPE材料磨損表面的裂紋寬度和長度明顯減小，表現為交叉的短裂紋，表明添加碳纖維后貫通裂紋的發展明顯被抑制，從而也提升了材料耐磨性；GF-CF-UHMWPE材料的磨損表面更加平滑，沒有出現顯著的貫通裂紋和擦傷，表明其增強了基體的力學性能和耐磨性。

圖5 UHMWPE復合材料磨損表面掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrographs of worn surface of UHMWPE composites

制作尺寸為Φ8 mm×20 mm的圓柱形試樣，采用DIL 402 Expedis熱膨脹儀對GF-CF-UHMWPE材料的線膨脹系數進行測試，結果如圖6所示。由圖可知：溫度為20～40 ℃時，純UHMWPE，GF-CF-UHMWPE材料的平均線膨脹系數分別為1.697×10-4，1.461×10-4K-1；溫度范圍為40～60 ℃時，純UHMWPE，GF-CF-UHMWPE材料的平均線膨脹系數為2.029×10-4，1.321×10-4K-1；纖維填料的添加能顯著減小UHMWPE的線膨脹系數，尤其是高溫時的線膨脹系數。在溫度20～50 ℃范圍內，改性UHMWPE復合材料的尺寸變化基本為線性，且改性UHMWPE復合材料的線膨脹系數遠遠小于純UHMWPE。

圖6 UHMWPE和GF-CF-UHMWPE材料的線熱膨脹系數Fig.6 Linear thermal expansion coefficient of UHMWPE and GF-CF-UHMWPE composite

2.2 GF-CF-UHMWPE與Thordon SXL摩擦磨損性能對比

采用RTEC平面摩擦磨損試驗機，分別從干摩擦和水潤滑2個方面對GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL材料的摩擦磨損性能進行對比研究，試驗結果見表2。由表可知：干摩擦工況下，GF-CF-UHMWPE材料的磨損量和摩擦因數均小于Thordon SXL材料；水潤滑工況下，由于溫度高于60 ℃時Thordon存在水解[16]，Thordon SXL材料的磨損量反而大于干摩擦工況，而GF-CF-UHMWPE材料的摩擦因數仍小于Thordon SXL材料且磨損量遠遠小于Thordon SXL材料。因此，無論是干摩擦工況還是水潤滑工況，GF-CF-UHMWPE材料的摩擦磨損性能均遠優于Thordon SXL材料。

表2 GF-CF-UHMWPE及Thordon SXL材料在不同工況下的摩擦因數及磨損量Tab.2 Friction coefficient and wear rate of GF-CF-UHMWPE and Thordon SXL under different operating conditions

GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL平面試樣磨損后的表面照片及相應的三維形貌如圖7所示，由圖可知：Thordon SXL材料在水潤滑工況下比干摩擦工況下的磨損更顯著；相對于Thordon SXL，GF-CF-UHMWPE材料的磨痕深度更小，磨損后表面更加光滑。

圖7 GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL平面試樣磨損后的表面形貌Fig.7 Worn surface morphology of GF-CF-UHMWPE and Thordon SXL discs

2.3 軸承潤滑性能考核試驗

通過對比相同結構參數下GF-CF-UHMWPE軸承與Thordon SXL軸承的啟動扭矩與摩擦因數，研究GF-CF-UHMWPE材料水潤滑軸承的摩擦潤滑性能及其作為水潤滑軸承材料的適用性。由于軸承加工后表面存在毛刺、局部不平等現象，試驗前需進行磨合以獲得穩定的摩擦磨損性能。軸承磨合階段采用的載荷為0.24 MPa，轉速為120 r/min，時間為60 min。

不同工況下，GF-CF-UHMWPE軸承與Thordon SXL軸承的摩擦特性曲線如圖8所示，由于設置了摩擦力過載保護，Thordon SXL軸承在載荷大于0.2 MPa時，低轉速階段摩擦力過大導致過載保護，因此Thordon SXL軸承從可運行的最低轉速開始測試。由圖可知：當載荷為0.1 MPa，轉速為60 r/min時，GF-CF-UHMWPE，Thordon SXL軸承的啟動摩擦因數分別為0.040，0.095；當載荷為0.2 MPa時，GF-CF-UHMWPE軸承的啟動轉速為60 r/min，啟動摩擦因數為0.035， Thordon SXL軸承的啟動轉速為60 r/min，啟動摩擦因數為0.115；當載荷為0.3 MPa時，GF-CF-UHMWPE軸承的啟動轉速為60 r/min，啟動摩擦因數為0.030，Thordon SXL軸承的啟動轉速為90 r/min，啟動摩擦因數為0.102；當載荷為0.4 MPa時，GF-CF-UHMWPE軸承的啟動轉速為60 r/min，啟動摩擦因數為0.025， Thordon SXL軸承的啟動轉速為120 r/min，啟動摩擦因數為0.076。

圖8 GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL軸承在不同載荷下摩擦因數隨轉速的變化Fig.8 Variation of friction coefficient of GF-CF-UHMWPE and Thordon SXL bearings with rotational speed under different loads

GF-CF-UHMWPE軸承與Thordon SXL軸承在不同轉速、不同載荷下的摩擦潤滑性能對比表明：GF-CF-UHMWPE軸承在相同載荷下的啟動轉速低，啟動摩擦因數小,而且從混合潤滑狀態轉變到動壓潤滑狀態的轉變速度較小。GF-CF-UHMWPE軸承在中高速階段的摩擦因數與Thordon SXL軸承相當，能夠適用于水潤滑艉軸承。

3 結論

對玻璃纖維及碳纖維改性UHMWPE材料的摩擦磨損性能開展試驗，并與Thordon SXL材料在干摩擦、水潤滑工況下的摩擦因數及磨損量開展對比研究，分析UHMWPE復合材料軸承在不同轉速、載荷等工況下潤滑狀態的變化規律，得出以下結論：

1)玻璃纖維填料可以顯著改善UHMWPE材料的減摩性，碳纖維填料可以顯著降低UHMWPE材料的熱膨脹系數，碳纖維和玻璃纖維的組合填料能夠在改善材料摩擦磨損特性的同時顯著改善材料的尺寸穩定性。

2)在干摩擦工況下，GF-CF-UHMWPE材料的摩擦因數和磨損量分別為0.094和2.23 mg，在水潤滑工況下，GF-CF-UHMWPE材料的摩擦因數和磨損量分別為0.060和2.2 mg，無論是干摩擦工況還是水潤滑工況，GF-CF-UHMWPE材料均具有比Thordon SXL材料更優異的摩擦磨損性能。

3)GF-CF-UHMWPE軸承的啟動摩擦因數小，從混合潤滑狀態轉變到動壓潤滑狀態的轉變速度較小，并且動壓潤滑階段的摩擦因數低，能夠適用于水潤滑艉軸承。